刀剑产品创新开发技术研究与示范应用可行性报告.doc

刀剑产品创新开发技术研究与示范应用可行性报告刀剑产品创新开发技术研究与示范应用可行性报告 一、立项的背景和意义刀剑产品是某市的特色产品，享有良好的国内外声誉。某市是某省刀剑制造企业的集聚地区，目前有刀剑制造企业100多家，从业人员超过10,000人，年产值约5亿，利润率30%左右。某市的刀剑产品具有较强的地域优势和品牌优势，但是产品始终处于市场边缘，对于拉动GDP、带动区域经济发展、强化产业辐射效应、创造就业岗位等经济指标的贡献十分有限。在“做大、做强、做专”的产业化发展的三个层面上始终处于“很专、较强、不大”的水平。相比之下，国外的刀剑产业则要成熟的多，除了作为工艺品和收藏品外，众多的日常工具细分市场也为该产业创造了巨大的利润。另外，在竞争激烈的国内外市场环境以及严峻的经济危机形式下，以OEM代工为主要利润来源的刀剑制造企业也受到了很大的冲击。因此，引入现代化的产品创新理念与开发技术积极拓展市场是势在必行的，也是集群化刀剑制造企业发展壮大的必经之路。经过深入调研，某的刀剑产业的问题主要集中在如下几个方面：1） 产业规模小、产品线单一、市场观念淡薄。产品多数为仿古工艺品，产量低、价格高、市场面狭小。许多成熟的市场运作手段还没有进入这个产业，大部分企业固守狭小的市场和消费群体，甚至靠为日本和欧洲同类刀剑产品做OEM维持运转。而国外同类刀剑产品则已在现代工具市场中全面铺开，并有力带动了传统工艺和产品品牌的发展壮大。2） 不重视创新，“两抄”现象严重“两抄”即抄袭文物和互相抄袭。许多厂家对博物馆中的文物刀剑进行粗糙仿制或对局部要素进行随意更改，制造出许多既无收藏价值又无文化美感的劣质品，直接导致了行业的恶性竞争与产品质量的下降。抄仿行为助长了部分企业急功近利的浮躁思想，致使传统技艺在承袭的过程中不断流失，作为文化遗产载体的刀剑产品严重走样，变得似是而非，甚至使人对其产生误读。3） 文化与设计的价值极低。凝聚中国文化特色的刀剑设计在产品价位上毫无体现。如两柄款式完全一样的产品，一个标价￥200，一个标价￥2,000，二者的区别仅在剑刃的锻造工艺不同。即：价值￥2,000的昂贵产品中设计的价值连5%都不到。产品的创新设计没能给企业带来额外的利润，致使企业难以发生从代工（OEM）到自主创新（ODM）的跨越式发展。4） 产品设计随意性大，文化元素的应用混乱。主要体现在一些刀剑产品装饰元素的应用缺乏历史根据，如名为某春秋名剑，剑鞘上的纹饰却是唐宋甚至明清时代的特征。有些更是西洋的造型配上中国的龙凤。这些不伦不类的产品大量充斥市场，对中国刀剑产品的国内外品牌声誉造成了严重的负面影响。5） 现代设计发技术应用很少。设计科学经过几十年的发展，已形成大量的辅助设计成果、先进工具软件以及专业化设计技术，但是在刀剑这类传统产品中几乎毫无应用。6） 专业人才匮乏。由于市场面窄、消费群体小，中国目前还没有形成专业化的刀剑产品设计人才队伍，只有精于锻造的刀剑工艺美术大师，而没有专注于新产品开发的设计师。而国外的刀剑产品设计行业已日趋成熟，对现代刀具的功能、用户特征和消费心理都有深入透彻的研究，产品成功率很高，有些刀剑产品甚至一面世就成为竞购的收藏品。针对国内刀剑产品发展的上述问题，其实国外同类产业的成功发展经验已经为我们提供了良好的借鉴经验。但是由于消费环境和消费市场的不同，我国刀剑产业需要在借鉴的基础上走出一条独立发展的道路，借助中国传统文化的优势和全球经济危机的机遇迅速崛起并实现赶超发展。本项目的意义主要有如下四点：1. 顺应文化消费趋势，打造强势文化载体产品。文化消费已经是当今国际产品市场的一个重要组成部分，中国的图案、造型甚至文字都在国外受到大量追捧，有着广泛的用户基础。但是中国的刀剑产品在专业化的国际刀剑市场上仍处于低端，与中国文化的地位极不相称。这表明中国的刀剑产品缺少的不是资源，而是经营之道。本项目通过创新设计对刀剑产品这一短板进行强化，对产品的质量、品牌和效益三方面都将产生推动作用。2. 积极拓展传统产品，依靠创新带动经济转型。国外刀剑产品的产品线十分广阔，除工艺品和军品外，还包括工具、厨具、文具以及野外作业、消防等多个行业的专用设备，所创造的经济价值也十分可观，其发展模式对中国刀剑产品有很大的借鉴价值。国外刀剑产品的收藏者数量众多，是一个重要的消费源，且收藏对象并不仅限于文物和仿古产品，设计精良的现代刀剑产品也是收藏者竞相追逐的目标。而国内这个市场还处于起步状态，尚有很大的拓展空间。本项目依靠自主创新让刀剑产品广泛进入大众的日常生活，而不是停留在工艺品的狭小定位上，同时对带动地域经济的转型发展也是重要的促进。3. 发挥集群产业优势，借助现代技术实施创新。某地区刀剑产业的集群发展优势和长期的OEM经验给自主创新打下了基础，在创新技术的带动下极易产生质的飞跃。4. 传统现代双线并进，以现代产品带动传统工艺保护。由于大部分企业规模小利润薄，刀剑制作的传统工艺在经济利益的驱使下极易走样而逐步丧失千百年来的传统特色。拓展的产品线为刀剑制造传统工艺的保护提供了经济基础。现代刀剑产品的开发既吸取了传统的营养，也对文化遗产的保护起到了反哺与回馈作用。国外的大马士革刀、廓尔喀刀、马来克力士剑等历史名刀都借助这条道路实现了文化遗产的保护与传播。实践表明，刀剑产品以现代产品带动传统工艺的做法不仅不会抹煞传统工艺的特色，反而会使两条线上的产品系列相得益彰，互为映衬共同发展。二、国内外研究现状和发展趋势国外刀剑市场的格局可分为传统刀剑与现代刀剑两大阵营。传统刀剑的典型产品括日本武士刀、大马士革刀、马来克力士剑、廓尔喀弯刀和及西洋刀剑等。其中日本武士刀是一丝不苟严格延续传统的典型产品，这与日本文化与刀的密切联系有关。其他的传统刀剑产品则都经历了较大幅度的创新，但仍然保持了传统产品的典型特色。如大马士革刀的干涉花纹是其标志性符号，在保持这个核心的基础上，冠名为“大马士革”的刀剑产品在形态和功能上已经大大拓展，甚至延伸到了厨具领域（图1）。尼泊尔的廓尔喀弯刀的标志是其狗腿形刀刃轮廓，目前已从其浓郁的原始地域产品演变为多国军队与户外运动的必备工具，除刀刃形态外，在材料、装饰等方面也随着应用背景而发生了多轨道演化（图34），“廓尔喀”这一尼泊尔地名也随之威名远扬；具有贵族化倾向的各类工艺刀剑更是将不同的文化传统和装饰风格发挥得淋漓尽致（图2）。 图1 大马士革刀 图2 工艺刀剑纵观国外现代刀剑名品系列可以发现，占据市场与口碑首席的几个品牌企业的历史都不长，短的不过十几年，长的也只有三十多年，其中也不乏充分借助历史文化寻求发展的公司。它们的成功无一例外的都与持续的产品创新有关，在创新的策略上则是贴近应用市场而非走纯工艺品路线，其中大部分都得益于成功的风格塑造和明确的用户定位，如：外观与品质兼优的Buck军刀；装饰华丽具有绅士风度的William Henry工艺刀；军旅风格的Smith & Wesson户外刀；Chris Reeve的一体刀；定位于阳刚型硬汉的Strider刀；外形奇特创意不断的蜘蛛折刀；为魔戒等电影做道具设计的SOG刀；以及家喻户晓的日常必备工具瑞士军刀等等。 图3 廓尔喀弯刀 图4 Smith & Wesson 廓尔喀野营刀国外刀剑产品无论是传统还是现代，都非常重视用户与市场。每一款新产品的推出都是充分的用户研究和市场调研的产物，有些定制产品更是对用户的偏好与需求进行了无微不至的考虑（如Randall刀等），这是国内刀剑产品难以企及之处。国内的刀剑产品的主要品牌基本都在某市，尤其是某地区。其刀剑产品以传统为主，产品定位主要是收藏品、礼品和一般家用镇宅辟邪物。现代实用刀剑产品的比重很小。国内刀剑产品在设计上以承袭传统型制为主，创新方面偏谨慎与保守，在销售上则一直处于不温不火的边缘状态。从业人员多数为职业刀剑铸造师和工艺美术师，以师徒相授为主要教育模式。接受过专业化现代设计教育的设计师进入刀剑设计领域的极少，这也是与国外刀剑行业的重大差距之一。本项目的工作重点是利用现代设计理念与设计技术进行刀剑产品的创新开发，全面提升中国刀剑产业的产品质量与品牌地位。根据国外刀剑产品的成功经验，以及中国刀剑企业的现状，本项目的研究将与三类技术产生密切关联：1） 刀剑产品用户研究与产品风格构建技术；2） 刀剑产品设计的文化符号应用技术；3） 刀剑产品智能化创新设计技术。这三类技术都是中国刀剑产品开发的薄弱环节。其中：用户研究与产品风格构建的重要性在国外成功刀剑产品中已得到充分的证明，是中国刀剑产业需要重点引入的新思想；文化符号的准确应用是塑造中国文化风格刀剑产品的技术关键；研究刀剑产品的智能化创新设计技术则是依靠技术力量弥补刀剑设计专业人才的短期内欠缺的不足，辅助中国刀剑产品快速提高设计质量并赶超国外著名品牌。这三类技术目前各有很多通用性研究成果，但是在刀剑产业中的针对性转化、整合开发与集成运用还非常欠缺。下面对三类技术的研究现状进行简要介绍：1. 用户研究与产品风格构建技术刀剑产品的用户研究包含两方面内容：一是针对刀剑产品实用功能的人机工程研究；二是刀剑产品风格特色（包括造型、纹饰、色彩等）的用户感性意象研究。人机工程学是产品研发技术的重要组成部分。刀剑产品属于与人体（手部）有直接接触的产品，其人机工程质量对产品使用性能有很大影响，对刀剑产品进行人机工程研究是提高产品质量的重要途径。人机工程学的研究主要包括相关人体尺寸的测量数据以及肢体动作分析与评价。目前人体测量数据国内外均已有成熟的数据库，如美国权威的Dreyfuss的Humanscale和中国1988年发布的人体测量国标数据GB10000-1988，和一些国军标数据。肢体动作分析的范围较广，其研究成果主要集中在各具体行业领域，如家具、车辆、控制设备、运动器材等。一些通用CAD软件中集成了人机工程学分析模块，给人机设计带来了自动化技术，如Catia、Unigraphics等软件。这些软件提供了基本的人机分析功能，包括尺寸、重量等指标的合理性，对刀剑产品的设计有一定帮助，但是对一些刀剑专用的动作进行分析还需要做很多专门化的深入研究。用户的感性意象研究主要集中在日本、韩国、中国台湾和美国等地，目前主要有感性工学、意象尺度、用户知识建模等研究方向，其中以日本的感性工学为代表。感性工学（Kansei Engineering，KE）是针对设计中感性要素的重要研究内容，是将用户的感知信息转换成设计元素的一种方法，利用技术手段来捕捉与表达用户对产品的模糊意象，并转化为形态、色彩等产品设计要素，进一步形成产品的风格。1986年马自达的前会长山本健一在美国密歇根大学发表题为车的文化论演讲时提出感性工学的概念，成为产品概念设计中感性设计研究的新起点。在随后的二十多年中以Nagamachi为代表的学者对感性工学从理论到应用进行了深入的研究，使感性工学在产品设计领域内成为一项重要辅助技术，感性工学技术对日本产品设计的贡献功不可没。国内产品设计领域内的感性工学研究主要集中在某大学现代工业设计研究所、湖南大学汽车车身国家重点实验室、西北工业大学工业设计研究所和本项目合作单位等几所高校的实验室。感性工学为设计过程模型的发展与应用提供了一种渠道，把对人的感性认知研究成果与产品工程设计中已取得的成果进行有效融合，使产品的研发在功能与市场两方面同时得到了考虑。诺基亚等著名企业的研发部门都十分重视产品的用户研究，利用感性工学原理做了大量的测试研究，对产品的市场成功作出了巨大贡献。鉴于国情和具体消费环境的限制，中国的刀剑产品与国外相比，工艺价值要远大于实用价值，因而对其进行用户感性研究的意义更为重大。2. 文化符号应用技术刀剑作为一种传统冷兵器，一直是伴随着文化发展的，可以说是文化的一个物质载体。中国几千年来所积淀下来诸多风格特征鲜明的纹样图案与文化符号，都有可能出现在各历史时期刀剑的造型与纹饰上面，对现代刀剑产品的风格塑造是一个重要的资源。文化符号的应用技术主要在美学和文化学方面，与装饰艺术有着密切联系。艺术界对此已有长期的研究，并形成大量的经验成果。对刀剑产品而言，需求较多的是这些经验成果的高效应用技术，即相关的CAD辅助技术，因为把这些经验成果集中起来用于刀剑产品设计是件比较困难的事，因此有必要把这些知识整理成独立于人之外的辅助知识库。文化符号的应用技术研究内容包括海量图案纹样的数据库构建、图案主题的快速检索、图案外形匹配、图案的变形与组合技术等等。这些技术在计算机图形学领域已有部分成果，一些通用设计软件（如CorelDraw、Illustrator等）也集成了部分功能插件，但是在自动化和智能化方面还有很大不足。3.智能化创新设计技术智能化创新设计技术的核心是模仿人类创造活动的基本原理利用自动化程序来实现创新设计，并谋求在快速性和可靠性方面产生优于人工设计的优势。该技术的研究目前已经在应用层次取得了大量进展，对于刀剑产品这类以文化价值和美学价值为主要创新点的产品是极大的帮助。智能化创新设计技术的研究方向大致有三个：知识集成、实例推演和组合优化。目前三个方向已有融合发展的趋势。在应用层面上，当今通用的CAD自动化创新设计技术的整体思路大多是建立“设计制造”一体化流程，由于过多的牵制于制造环节，概念设计阶段的创新停留在理论阶段推行不深入。而且开发技术并没有太多的考虑设计师的工作习惯的延续性，因而尽管有一定的成果，却难以推广。而概念设计的发散、评价、调整三个重要过程需要能以一种通畅的交流方式在甲乙双方之间进行。交互式遗传算法（Interactiver Genetic Algorithms，IGA）是机器创新的主要技术工具，属于组合优化方向，由于操作性较好，对于知识集成和实例推演两个方向的技术成果都有着较强的吸纳能力，已逐渐演化成快速创新的主要力量。IGA适于解决隐性或模糊指标的优化问题，尤其是有情感、直觉、偏好等感性要素在内的决策问题，如产品设计、艺术创作、作曲等等。IGA的用户交互特征使之成为更加贴近设计师原始创意方式的良好工具，并可用于捕捉设计师的意图和用户知识，使设计过程更具智能化。中国矿业大学的巩敦卫、郭一楠等提出了有知识引导功能的分层IGA，通过用户的交互评价过程提取知识，并提出了基于地势知识的新个体选择策略。Zhenyu Gu，John Frazer和张文莉等人利用IGA捕捉设计师的设计意图和用户的美学感知信息。适应度地图（Fitness Landscape）是对个体编码空间适应度综合描述的工具，Jong-Ha Lee等人基于适应度地图利用直接个体操作的方式为种群植入基于用户意图或先验知识的个体，用以引导种群的进化方向，并在服装设计中做了具体应用验证。可视化是产品设计、艺术设计等对象形象以视觉为主的设计问题求解的必要形式，也是刀剑产品智能化设计研究的重点。香港理工大学的John Frazer和唐明晰等人的研究基于参数编码实现了简单产品（花瓶）的可视化种群构建。本项目组主要成员某某也基于二维和三维设计平台较好的解决了形态复杂特征多样的产品编码表现型解码问题，成功的实现了“所见即所得”的创新方案优化过程，加快了理论技术的产业化推广。可视化IGA用于刀剑产品设计的主要优势在于它可以把产品跟广大用户市场联系起来，有效获取用户对产品及其携带的文化要素的感知信息。与用户的互动是中国传统产品开发的最大弱势，也是造成传统产业被边缘化的主要原因，本项目将通过技术手段来对这点进行改善。本项目所涉及的三个主要技术的研究工作已有较多成果，方法体系也已趋完善。但是中国的刀剑产品对这些技术成果的应用还非常少，其中主要原因是这些成果的应用需要专业化人才进入刀剑产品的设计领域，而鉴于中国刀剑行业的现状，这点很难满足。本项目的目标是基于这些已有的研究成果，建立针对刀剑产品开发设计的专业化技术体系，增强自动化与智能化水平，降低刀剑产品开发的技术门槛，实现产品种类、质量和市场绩效的快速提升。参考文献1 Ross Parry. 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Proceedings of 5th Joint Conference on Information Sciences, 2000:995-998三、项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点（一） 研究内容刀剑产品集传统工具和工艺品于一体，其价值主要体现在“工”与“料”两方面。“工”的价值体现在设计、装饰、工艺等制造过程环节中；“料”的价值则体现在材料（尤其是刀刃材料）的选材与处理工艺上。因此，本项目的研究工作将围绕刀剑产品制造的工料技术深入展开，并对其用户市场和专业人才的培养方式进行研究，以寻找整体提升与优化刀剑产业的途径。1. 刀剑产品创新设计技术开发1) 刀剑产品设计信息平台建设信息平台的内容包括刀剑产设计的资源数据库与知识库，以及网络化的信息辅助集成平台。资源数据库包括刀剑产品库、刃型库、柄型库、材质配色库和不同文化的纹饰图案库等内容，为刀剑设计师提供直接和快速的设计辅助。知识库包含刀剑产品的就技术性知识与文化知识，为设计师的概念设计提供发散性参考。网络化的信息辅助集成平台是为开展异地协同设计提供辅助。2) 刀剑产品开发流程建设建立计算机辅助刀剑产品开发的完整流程，选择组配最合适的软件工具、现代设计方法与工艺流程，在保证设计效果的基础上，最大限度缩短新产品开发周期。3) 刀剑产品风格构建技术研究面向刀剑产品的认知特性，建立刀剑产品设计风格的表达方法。利用形态、色彩、装饰、材料等设计元素的组合，构建特定的风格意象。配合感性工学的实验研究，在风格意象与设计要素之间建立广义的函数关系，为设计师提供一个具有可操作性的方法体系和辅助框架。4) 刀剑产品装饰设计技术中国传统文化符号的组合应用技术，包括图案纹样的参数化设计、图案主题的快速检索、图案外形匹配、图案的变形与组合技术等。5) 刀剑产品智能化创新设计技术研发有两方面研究内容：一是实现刀剑设计的快速创新，其中包括造型、纹饰、配色等多种设计要素的快速构建与组合设计；二是开发以可视化交互式遗传算法（Visual Interactive Genetic Algorithms，VIGA）为主的智能化创新设计技术，实现刀剑产品的定位、差异化创新以及设计过程的透明化与可视化，使企业家、工程师、消费用户等非设计人员都可以参与设计过程，通过交互评价推动设计方案的优化。6) 刀剑产品CAD软件开发开发针对刀剑产品设计的专用CAD软件，集成人机工程评价、风格构建、装饰与色彩设计、智能化创新等关键环节的辅助功能，并为设计师提供友好的交互界面，在数据库的辅助下大幅提高刀剑产品开发的效率与可靠性。2. 刀剑产品生产工艺技术开发1） 中国刀剑的花纹钢工艺技术研究中国刀剑锻制所用的传统花纹钢在性能和视觉效果上均可媲美著名的大马士革刀所用的乌兹钢材料，花纹钢的配方在多年失传后，近期已被重新开发出来。本项目的承担单位已成功掌握花纹钢的锻制技术，并用于多种产品。目前花纹钢还仅用于传统的仿古刀剑，在现代刀剑产品中使用极少，而大马士革钢在现代产品中的成功运用为我们提供了良好的借鉴。对花纹钢的工艺技术进行深入研究，提高其机械性能和视觉效果，将有利于提高中国刀剑产品的文化价值和品牌价值。2） 刀剑产品的新材料应用研究利用特殊材料强化中国刀剑产品的本土特色。中国文化传统中在金属器物上镶嵌玉石等非金属材料是一种常见的装饰手段，2008北京奥运会的金牌设计上也采用了“金镶玉”的形式，并取得了巨大成功。中国文化中所使用的非金属材料十分丰富，包括玉类、水晶、石材、贝类等多种，既体现了独特的文化风貌，又拓展了产品的创意空间。非金属多属自然材料，意蕴贴近远古，对于开发具有先秦战国等上古意蕴的刀剑产品更富有表现力，且绿松石、琉璃、玉等从商周时期开始就是刀剑产品常用的非金属镶嵌材料。同时，非金属材料可以表现丰富的色彩效果，对当前中国刀剑产品相对单调的木质与金属色调也是一种有效补充。通过非金属材料及其设计还可提高产品附加值并拉开产品价位。非金属材料在中国传统中多具有文化意蕴，如上百种玉各具不同的文化背景，石材产地的人文风物也是极具文化开发价值，这类材料与刀剑产品的结合为赋予刀剑产品更多更广泛的文化内涵提供了一个有效的载体。3） 关键性生产技术一些关键性生产技术对刀剑产品的生产效率和精度有很大影响，如非金属材料的切割与加工成型、弧面基材的纹饰自动雕刻等，这些技术问题的解决将大幅度提高刀剑产品的产量和质量。3. 刀剑产品的用户研究1） 刀剑产品人机工程研究刀剑产品的人机工程研究主要集中在手部，包括刀剑柄部的握姿舒适度与可靠性（如防滑）、刀剑重量与运动特征（如舞剑）的协调性、手指操作的效率和安全性（如折刀的开合），以及刀剑产品的携带、存储、包装等等。2） 刀剑产品的感性工学设计技术研究对某宝剑的用户感性认知、消费者感性需求等信息设计调研实验，展开调研并收集用户调研数据，基于调研数据建立感性工学系统（KES），形成用户感知与宝剑的造型、纹饰、色彩等设计要素的双向映射“翻译”机制。4. 刀剑产品的品牌建设与市场研究1） 刀剑产品的产品线拓展研究从不同的角度对刀剑产品的功能和用途进行重新定位，从传统工艺品向现代生活领域拓展，区分出几个大的产品领域，然后进行功能细分、差异化特征构建和系列化产品设计。在市场定位上拉开传统刀剑与现代刀剑产品的距离。以精湛的传统工艺和手工锻制技术为特色强化传统刀剑产品的优势，同时以功能和造型上的创新提高现代刀剑产品的品位。2） 刀剑产品的CI与PI研究CI（Corporation Identification）是指企业形象，是企业的视觉形象和经营理念等企业行为综合形成的整体性识别特征。PI（Product Identification）是指产品识别，是从认知心理学与感性工学角度，利用产品的功能、形态、色彩等要素构筑品牌形象的重要手段。CI与PI的实施已在大多数国外刀剑企业和产品中发挥重要作用，而中国的刀剑产品还尚未引入，尤其是PI。CI与PI的实施是刀剑产品走上商业化运作的必经之路。3） 刀剑产品市场数据的分析研究市场数据的即时反馈与准确分析是产品成功营销的关键。市场数据中往往隐含着用户偏好与需求信息，以及对产品细节改进的导向性指示。本项目将结合感性工学与IGA技术从市场数据中提取出设计辅助信息，并用于产品的优化与改进，增强对消费市场的理性把握，为产品创新开发提供可靠的支持。5. 刀剑产品专业化研发人才培训联合高等院校相关专业，按照现代产品研发人才的教育体系为刀剑企业培养刀剑产品的专业化研发人才，打造通晓刀剑制造技术、艺术和市场的综合性研发人才。（二） 技术关键1）刀剑产品风格构建技术；2）中国刀剑的花纹钢工艺技术；3）刀剑产品智能化创新设计技术；4）刀剑产品的感性工学设计技术。（三） 主要创新点1） 为中国刀剑产业引入现代产品创新设计理念；2） 为中国刀剑产业引入智能化创新设计技术和用户研究技术，基于交互式遗传算法、感性工学和人机工程学等先进技术提升刀剑产品研发的效率和可靠性；3） 为中国刀剑产业建立了完善的计算机辅助开发流程，并将形成针对刀剑产品的专业化CAD软件，降低了刀剑产品开发的门槛，并有利于培养专业化设计师队伍，提升我国刀剑产品设计的质量和品牌地位。四、项目预期目标1主要技术经济指标技术指标：1）开发刀剑产品设计专用CAD系统，获刀剑产品辅助设计软件著作权两项以上；2）获刀剑产品设计专利10项以上；3）在国内外有影响力的期刊或会议发表学术论文5篇以上。经济指标：1）刀剑产品研发周期缩短30%以上；2）项目示范企业销售收入提高20%。2推广应用前景本项目的研究内容面向刀剑企业共同的问题，所形成的成果也是具有共性特征的，其中刀剑设计资源数据库和软件成果可以面向某地区100多家刀剑制造企业推广。随着这些成果在刀剑产业内的推广，有望把企业的盈利方式从投入大收益薄的OEM代工方式转移到投入小而收益大的创新设计上。而创新设计的深入推广对塑造国产刀剑品牌也是极具价值的。本项目研究成果以辐射的形式推广，主要表现在对其他传统产品创新的影响与带动作用。1）现代设计理念的应用推广。设计理念的推广最重要的效果是让其他刀剑企业看到，刀剑产品的利润可以依靠设计来创造，设计产生的利润率要远远大于在工艺和材料等制造环节上的投资。设计理念推广的具体方法是首先在示范企业中开展系统化的设计服务，依靠设计技术迅速推出大量创新产品，以眼见为实的效果吸引其他刀剑制造企业对设计的重视。2）现代设计技术的应用推广。现代设计过程包括用户调研、产品定位、概念创新、详细设计、样品试制、功能测试、工艺设计、包装设计、企业形象、品牌规划等一系列过程，其中大部分设计流程环节在设计研究领域已经有比较成熟的技术成果，如市场分析中的数据挖掘技术、用户调研中的感性工学技术、概念设计中的头脑风暴创意法、组合创新技术、资源数据库辅助技术、详细设计中的色彩方案情感分析技术、刀剑产品手感的人机工程学实验分析技术、纹饰图案的参数化设计技术、企业品牌形象的统一性设计技术等等。这些技术都将对刀剑产品的设计开发产生积极的推动，其中本项目的合作单位在部分技术方面已有较成熟的研究成果，经过简单的转化开发即可形成专用于刀剑产品创新的专业化设计技术。创新设计技术的推广形式分为两种：软件产品与设计服务。软件产品形式的推广是将项目的技术成果开发为商品化软件形式，其中包括设计资源数据库、刀剑设计专用软件以及相关的技术方法集成软件。软件推广可以凭借相对简单的形式让研发成果进入广大刀剑企业，不足之处是商品化软件开发的投资较大，且面临着盗版风险，另一方面使用软件的刀剑企业也需要成立专门的设计部门并招聘设计师。这对地处偏远的某市来说，是有一定困难的。设计服务形式的推广是成立专门的“刀剑产品创新设计服务中心”，由项目组或招聘人员组成专业化设计服务队伍，利用项目成果为刀剑企业提供设计服务。这种做法的优点是企业不必单独招聘设计师，且项目的最终成果也不必走软件商业化道路，成为自产自销的技术，节约了企业和开发者两方的开支，也避免了盗版风险。3获取自主知识产权情况本项目在产品创新设计与研发两方面均有可能在自主知识产权上产生突破，其中研发成果为国内首款刀剑设计专用软件，获软件著作权2项以上。在国内外有影响力的期刊或会议发表学术论文5篇以上；申请专利10项以上。培养本科生15人，硕士研究生5人。五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解1项目实施方案本项目的实施方案如图5所示。选用通用二维与三维产品设计平台，CAD创新技术、用户研究、风格构建和智能化创新都基于通用平台以二次开发的形式完成。其中部分子模块项目承担单位与合作单位已有较成熟的研究成果，因此开发任务主要是基于通用平台进行转化与集成，并针对刀剑产品的特色对软件功能进行拓展。图5 刀剑产品创新开发技术实施方案2技术路线1） 刀剑产品设计技术开发针对刀剑产品的特征，选用二维与三维平台相结合进行流程开发，形成概念方案效果图三维模型工程图手板的一条龙的设计体系，全面负责刀剑产品设计的各个环节工作，并对设计文档和图纸制定标准，为产品的改型设计、分析比较和持续创新提供良好的规范，以提高设计效率，缩短开发周期。i. 资源数据库的构建与应用与一般的数据库不同，刀剑产品的资源数据库以图形和色彩两类数据为主，并且配有对两类数据进行参数化操作的程序。色彩数据及其相关操作模块具有通用性，可以把课题组以前的研究成果直接移植过来即可。而图形数据则需要进行单独构建，并实现图形的矢量化、参数化和特征化操作，这也是本项目的工作重点之一。其中纹饰图形的矢量化处理是工作的核心，由于已收集的纹饰图形多为位图，因此需要进行矢量化后才能实现其参数化修改。CorelDraw等软件带有矢量化处理插件，但是处理效果并不理想，图形文件较大、控制点太多，不利于参数化处理。且原始位图文件中多带有噪声，影响了线型的美感与流畅性，这些都需要单独的编程处理。而对于一些较复杂的纹饰图形（如饕餮纹、植物纹等），也需要经过人工分解为复杂程度较低的符号单元，并建立其统一的组织模式和表达形式（即图形文法）。资源数据库的构建流程如图6所示。资源数据库是刀剑产品创新的支持，其构建需要艺术家、设计师和软件工程师的协同努力。图6 资源数据库构建流程ii. 形态的数字化辅助形态是刀剑产品的重要识别特征。本项目对刀剑产品形态设计的辅助上采用特征化与参数化两种技术，在资源数据库的基础上产生丰富多样的产品形态。目前特征化与参数化设计技术已趋成熟，并有多款商品化软件，但都是三维软件（如Unigraphics、Pro/E、Solidworks等）。刀剑类传统产业的设计人员多数习惯于以“所见即所得”的直观二维方式进行设计，所使用的CAD软件以Photoshop、CorelDraw、Painter、Illustrator等集设计与效果表现于一体的二维软件为主，这些软件都不具有特征化与参数化功能。为了与刀剑产业的设计领域保持技术上的连贯性，避免由于大幅度的技术跳跃而造成项目成果推广困难，本项目拟基于Photoshop和CorelDraw等通用二维设计软件平台以二次开发的形式为其加入针对刀剑产品形态设计的特征化和参数化设计功能。特征化技术的实施首先对刀剑产品常用的形态特征进行分解，形成相对简单而独立的特征图块单元，并建立特征图块的资源数据库，如基本刃型、鞘型、柄型、装饰图案的基本单元等等。然后开发特征图块的智能化“组装”程序，对刀剑产品各部分的特征进行组装得到整体产品的设计方案。参数化技术为针对特征图块（或称“符号图块”）单元的操作技术，包括两类：生成技术与修改技术。生成技术是指根据用户给定参数而自动生成图块单元，修改技术是针对用户已经手工建立的图块单元，编写一系列通用“修改器”程序读取图块单元的内部数据并赋予参数，对其尺寸、形态、比例、局部细节等进行参数化修改调整。基于参数化单元修改和特征化整体方案组合两种技术，刀剑产品的形态方案可以实现高效、大量与快速的自动生成。方案的评价、选择、调整和决策则在风格处理模块中实现。形态的数字化辅助设计技术路线如图7所示。图7 形态设计的数字化辅助技术路线iii. 色彩的数字化辅助通用的二维设计软件都有很好的色彩功能，提供了RGB、CMYK等多种色彩模式的操作，但都是针对单一色彩的操作，对涉及两种以上色彩的配色工具目前还没有商业化软件问世。当色彩达到三种以上时，其明度、纯度和色相三种主要调和方式的设计变得异常复杂，专业化的配色工具十分必要。产品配色的数字化辅助设计技术基础是色彩空间以及虚拟的孟德尔“色立体”等色彩表达框架，对色彩空间或色立体中的多点位置（每一个坐标位置点表示一种色彩）之间的关系进行统一配置，使多种色彩的组合效果符合人们一般的心理情感体验或特定历史时期的原始风貌。配色设计数字化辅助工具的研发首先需要对色彩的情感模式进行准确定义，并以色数进行分类。这方面的工作本项目的合作单位长期从事并已有多种研究成果专利。对于刀剑产品而言，其配色效果是否符合所设定的历史时期原始风貌是非常重要的，例如名为汉代刀剑的产品，其色彩也应与汉代的兵器色彩保持统一。因此，本项目需要在通用色彩情感模式基础上增加色彩的历史风貌模式设定。这种技术上与色彩情感模式设定是相同的，只是需要对刀剑兵器文物的实物色彩进行分析与提炼，得到色彩模式的表达式。对此，本项目的合作单位已经研制出了基于图片的色彩方案提取与设计应用软件，配色方案的提取算法与基于GAs的应用过程如图8、9所示，可在此基础上做进一步开发得到专用于刀剑产品的配色设计工具。 图8 配色方案提取流程 图9配色方案优化过程2） 刀剑产品的风格构建与智能化设计刀剑产品风格设计的核心在于：基于特定风格进行再设计，而不是照搬照抄原始文物造型。本项目拟采用对原始风格图案进行分解、集成参数编辑、二维空间拓扑变换以及图案语法自动实施等方式来生成丰富多样而又能保持特定风格的设计。该技术在项目合作单位从事山东省科技攻关计划项目“非物质文化遗产保护的数字化技术研究”时已形成初步成果，并成功运用于中国传统植物（竹）图案的设计。本项目利用交互式遗传算法（IGA）工具实施刀剑产品的风格构建与快速设计：i. 基于已被广为接受的刀剑文物原型进行变化设计首先建立文物原型的数字化设计方案文档，设计方案处理为符号单元的组合形式，然后运用参数化修改器模块工具系列对各符号单元进行修改变化。如模拟“越王勾践剑”的产品设计，建立其数字化设计方案，并将剑刃、剑格、剑柄等部位处理为独立的单元符号，利用修改器工具修改各部位的形状、尺寸比例、纹饰图样等，得到新的设计方案。ii. 对所拟表现的目标风格的代表性元素符号进行组合设计基于所拟表现的目标风格的时代与地域元素符号进行组合运用。如设计战国刀剑，在